Файл: Уриг, Р. Статистические методы в физике ядерных реакторов.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 16.10.2024

Просмотров: 131

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

ГЛАВА 11. ИЗМЕРЕНИЕ ШУМОВ

В ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ

§11.1. Введение

Вэтой главе описаны примеры измерений шумов, которые были

выполнены на ядерных реакторах за последние несколько лет. О некоторых из них подробно сообщалось на двух симпозиумах, организованных Комиссией по атомной энергии США во Флориде в 1963 [1] и 1966 [2] годах.

Выделенные в этой главе примеры выбирались с целью полу­ чить широкий спектр типичных шумовых экспериментов, которые могут быть проведены на ядерных реакторах. К сожалению, объем книги не позволил представить изящные работы многих авторов, внесших вклад в область измерения реакторных шумов.

§ 11.2. Эксперименты по счету нейтронных импульсов

Эксперименты по счету импульсов от нейтронов были первыми статистическими, или шумовыми экспериментами, проведенными на ядерных реакторах [3]. Простота этих экспериментов и доступность многоканальных анализаторов общего и специального назначения делают этот тип экспериментов легко выполнимым. Первоначально эти эксперименты проводились только на быстрых реакторах, в ко­ торых время жизни нейтронов мало, поэтому могут детектироваться отдельные цепочки нейтронов. Затем подобные эксперименты были распространены на реакторные системы на тепловых и промежуточ­ ных нейтронах. В общем случае один или более методов счета им­ пульсов полностью конкурируют с другими методами измерения па­ раметров подкритической системы или реактора нулевой мощности.

Выбор методов счета импульсов. В нескольких проведенных исследованиях сравнивались различные методы счета импульсов на ряде данных, полученных из серий опытов на одном реакторе. Одно из наиболее исчерпывающих исследований было выпол­ нено Пачилио [4—6], который обобщил результаты этого исследо­

вания и, последующей работы в монографии [7].

В аналогичном

исследовании на реакторе NORA [8] сравнивались

метод распре­

деления вероятностных интервалов

[9, 10] с методами росси-альфа

и фейнмана-альфа. В работе [11]

описан ряд подобных экспери-

313


ментов, выполненных на реакторе типа «Argonaut» в реакторном центре в Петтене (Нидерланды).

В основном цель этих исследований заключалась в сравнении методов при идентичных условиях. Как и следовало ожидать, ни один из методов не дал серьезного отличия от другого, поэтому выбор метода часто диктуется главным образом имеющимся в на­ личии оборудованием и соответствующими программами обработки экспериментов на ЦВМ, опытом исследователя и другими обстоя­ тельствами. Однако некоторые методы ограничены уровнем мощ­

ности (т. е.

мощность

должна поддерживаться на возможно низ­

ком уровне,'

чтобы

обеспечить удовлетворительное отношение

сигнал/фон),

тогда как другие методы ограничены эффективностью

детектора.

Обычно методы, требующие

высокой эффективности

детектора,

 

пригодны только для

систем на тепловых нейтронах,

а методы,

требующие низкого

уровня

мощности для получения

приемлемого отношения сигнал/фон, находят применение в систе­ мах на быстрых нейтронах. Несколько из этих методов пригодны как для систем на быстрых, так и на тепловых нейтронах.

Исторически первыми методами счета импульсов были клас­ сический метод росси-альфа для быстрых реакторных систем и метод Фейнмана для реакторных систем на тепловых нейтронах, заключающийся в определении отношения дисперсии к среднему значению. Из-за простоты метода росси-альфа многие исследова­ тели пытались применить его к системам на тепловых нейтронах. Эти усилия стимулировались доступностью многоканальных ана­ лизаторов и цифровых логических модулей, из которых могут быть собраны сложные схемы, управляющие работой анализатора. Од­ нако анализаторы не могли работать подобно анализатору совпаде­ ний Орндоффа [3], и часто результаты метода росси-альфа расходи­ лись с другими методами измерений. Система регистрировала кор­ реляции между отдельными импульсами, возникающими в- одном цикле, и импульсами триггера, разделенными по крайней мере од­ ним циклом времени. Это делает непригодным выражение (11.1) для данного измерения. Однако во многих случаях можно получить правильное значение а путем анализа экспоненциального участка кривой р (t) в зависимости от t.

Спомощью двух детекторов и импульсов триггера в геометрии

снизкой эффективностью детектора в работах [12], [13] в системах на тепловых нейтронах получены экспериментальные результаты, согласующиеся с другими методами. Бабала [8] развил методы из­ мерений величины росси-альфа в системах на быстрых и тепловых нейтронах и разделил их на методы росси-альфа I типа и россиальфа II типа. Он показал теоретически, что в пределе при нулевой эффективности вероятность р (t) в методе росси-альфа II типа равна

р(t) в методе росси-альфа I типа*.

*Эта классификация не является общепринятой, хотя разница двух ти пов экспериментов ясно установлена.

314


В работе [14] предложен оригинальный метод уменьшения эф­ фективности запускающего детектора путем введения прерывателя в линии,- ведущей к триггеру анализатора. Последующие экспери­ менты [15] показали, что такой подход оправдан, когда эффективное время работы прерывателя мало, и для этого случая было получе­ но выражение для вероятности р (t).

Введение специальных характеристик в многоканальные ана­ лизаторы в работах [14] и [13] привело кновым типам эксперимен­ тов, которые фундаментально отличались от метода росси-альфа. К ним относятся методы временных интервалов от случайного на­ чала, мертвого времени, распределения интервалов и спонтанного импульсного источника.

Метод временных интервалов от случайного начала, часто назы­ ваемый методом случайного начала, ограничен эффективностью детектора и, таким образом, пригоден только для систем на тепло­ вых нейтронах.

Метод спонтанного импульсного источника является модифици­ рованным методом росси-альфа, в котором триггерные устройства порогового типа позволяют выделять предпочтительно данные с высоким отношением сигнал/фон. Следовательно, этот метод пригоден для систем как на тепловых, так и на быстрых ней­ тронах.

Метод интервала от импульса до импульса, развитый Бабала [8], имеет ряд решающих преимуществ перед другими методами. Пачилио отметил, что он столь же эффективен, как метод россиальфа для быстрых систем и намного превосходит его для тепловых систем. Он также указал, что этот метод в отличие от большинства других статистических методов не ограничен чрезвычайно низкой эффективностью детектора и (или) высоким уровнем мощности и что фактически даже в предельных случаях окончательная формула еще содержит существенную информацию о необходимых реактор­ ных параметрах [7].

Все дисперсионные методы, включая метод Фейнмана (метод определения отношения дисперсии к среднему) и разностный метод Беннета, ограничены эффективностью детектора и, следовательно, могут применяться, только в системах на тепловых нейтронах. Единственным исключением является ковариационный метод, в ко­ тором используются выходные сигналы двух детекторов и перед обработкой данных удаляются средние значения. Наличие двух де­ текторов допускает применение детекторов с более низкой эффек­ тивностью, и, следовательно, этот метод пригоден для систем на бы­ стрых нейтронах. Различные вероятностные методы (методы нуле­ вого отсчета, единичного й нулевого отсчета, четного или нечетного счета) в общем случае ограничены эффективностью детекторов и, следовательно, применимы только для систем на тепловых нейтро­ нах. Метод временных интервалов от случайного начала можёт рас­ сматриваться как вероятностный метод и подвержен тем же самым ограничениям.

315


Классические измерения росси-альфа. Эксперимент по опреде­ лению росси-альфа (первый из техники счета нейтронов) был про­ веден Росси, который предположил, что ядерные системы самомодулированы из-за присутствия длинных цепочек и что время жизни мгновенных нейтронов может быть получено измерением усреднен­ ного по времени распределения нейтронов, связанных общим пред­ шественником. Этот метод основывается на том факте, что возник­ новение деления в сборке является неслучайным процессом из-за

 

временной

 

корреляции

 

между

нейтронами,

ко­

 

торые

имеют

общего

 

предшественника. Для

 

обеспечения

 

фиксации

 

коррелированных

во

 

времени

 

импульсов

на

 

фоне случайных импуль­

 

сов скорость

делений

 

должна

поддерживаться

 

достаточно низкой, что­

 

бы предотвратить суще­

 

ственное

 

перекрытие

 

отдельных

 

цепочек

в

 

сборке.

Это

требование

 

фактически

не дает воз­

 

можности

использовать

 

метод в его классичес­

Рис. 11.1. Типичные результаты определения

ком виде

для систем на

величины а на реакторе «Godiva»

тепловых

 

нейтронах.

при различных реактивностях [3].

Теория

измерений

рос­

 

си-альфа

дана

в гл. 3.

Орндофф [3] сообщил о серии экспериментов,

выполненных

на быстрых сборках без отражателя «Godiva» и «Jezebel». Резуль­ таты экспериментов, приведенные на рис. 11.1 и 11.2, подтверж­ дают соотношение [данное ранее как уравнение (3.9)]:

р (О Д = ЛД +

В exp ( — at) А.

(11.1)

Измерения были выполнены с анализатором

специального на­

значения, показанным на рис.

3.2.

 

Использование двух детекторов делает менее строгими требова­ ния к разрешающему времени усилителей, чем при работе с одним детектором. При работе одного канала, ко входу которого подсо­

единены вместе детекторы 1

и 2, необходимы задержка около

0,5 мксек для предотвращения

совпадения отсчета самого с собой

и исключения тех отсчетов, которые возникают в пределах времени восстановления усилителя.

Измерения на сборке из 235 U «Godiva», результаты которых показаны на рис. 11.1, проводились для величин реактивности,

316


изменяющихся от критического состояния на запаздывающих ней­ тронах до почти критического состояния на мгновенных нейтронах (р = 86,6 • Ю-2 Р). После каждого цикла измерений осуществля­ лось раздвижение отдельных частей сборки для снижения фоновой плотности нейтронов до начала нового цикла.

Рис. 11.2. Результаты опытов на реакторе «Jezebel» при различных реактив­

ностях

[3]:

 

Номер

 

 

подкритического

OXI0-*

сек

состояния

Опыт 1

Опыт 2

1

0,786

0,787

2

3

0,910

0,914

4

1,031

1,037

5

1,170

1,183.

6

1,291

1,317

7

1,550

1,562

8

1,680

1,680

На рис. 11,3 показана зависимость величины росси-альфа от реактивности. Из значения а с = р// при критичности на запазды­ вающих нейтронах и определенной независимо величины р най­ дено, что эффективное время жизни нейтронов в сборке «Godiva»

равно 0,66 10-8 сек.

317